Принцип работы камеры обскура. Для камеры-обскура больших размеров нам понадобятся

Камера-обскура Камера-обскура (в переводе с латинского буквально – «темная комната») – это простейшее оптическое устройство (приспособление), позволяющее получить на экране изображения предметов, предшественник фотокамеры. Камера-обскура.Принцип действия

Камера №. 19 Год 1987. Из постановления городской прокуратуры: «Учитывая, что для решения возникающих в ходе следствия вопросов необходима эксгумация трупа Кравцова Николая Павловича…» Экспертам предстояло выяснить причину смерти.А причина, как казалось бы, была

ГАЗОВАЯ КАМЕРА Подобно электрическому стулу и смертельной инъекции газовая камера - сугубо американский инструмент узаконенного убийства.Она представляет собой небольшую герметичную комнату со смотровым окном, в которой стоит стул, а под ним находится ванна,

Камера-обскура (в переводе с латинского буквально - «темная комната») - это простейшее оптическое устройство (приспособление), позволяющее получить на экране изображения предметов, предшественник фотокамеры.

Принцип действия камеры-обскуры заключается в следующем. Если в одной из стенок темного ящика сделать небольшое отверстие, то на противоположной стенке ящика (внутри его) образуется видимое световое изображение всех освещенных предметов, находящихся перед отверстием, при этом изображение будет перевернутым.

Размеры изображаемых предметов (или, другими словами, масштаб увеличения) зависят от расстояния между отверстиями и стенкой, на которой возникает изображение. Чем больше это расстояние, тем большими будут выглядеть изображаемые предметы. При этом качество изображения находится в прямой зависимости от величины отверстия. Чем оно меньше, тем резче изображение и тем оно темнее. С увеличением отверстия резкость изображения ухудшается, зато его яркость возрастает.

Все современные фотоаппараты есть не что иное, как все та же древняя камера-обскура, только снабженная различного рода вспомогательными механизмами. Принцип действия ее остался прежним.

Этот принцип был известен ученым давно. О нем еще в середине IV в. до н. э. упоминал в одном из своих трудов великий мыслитель древности Аристотель. В то время камера-обскура в том виде, какой она стала позже, еще не была известна.

Дело в том, что принцип ее действиям можно наблюдать в любом темном помещении с отверстием для света, в том числе в комнате, что и делал, по всей вероятности, Аристотель.

Такая комната и называлась первоначально камерой-обскурой. Позже по аналогии с «темной комнатной» камерой- обскурой стали называть деревянный или металлический ящик с отверстием в передней стенке, куда вставлялась простая двояковыпуклая линза в оправе, а вместо задней стенки крепилась полупрозрачная бумага или матовое стекло .

История

Судя по некоторым источникам, первую камеру-обскуру построил английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (1217-1294). Он предполагал пользоваться камерой-обскурой вместе с зеркалом для того, чтобы, находясь в помещении, наблюдать за проходящими мимо окон людьми. Вероятно, это была первая попытка практического использования камеры-обскуры.

В 1279 г. англичанин Джон Пенхан высказал мысль, что камеру-обскуру можно использовать для наблюдений за движением солнца. Это первый случай, когда камеру-обскуру предполагалось применить в качестве оптического прибора для научных опытов. Кстати, Джон Пенхан был в то время архиепископом Кентерберийским. Это говорит о том, что были священнослужители, в том числе и высокопоставленные, которые живо интересовались наукой и не без успеха проводили научные опыты.

Первым сделал детальное описание камеры-обскуры, сопроводив его чертежами, Леонардо да Винчи. Это описание сохранилось в рукописях гениального итальянца, которые были вывезены Наполеоном Бонапартом в качестве трофея во время Итальянского похода и затем в 1797 г. изданы в Париже.

Интерес к камере-обскуре возник у Леонардо да Винчи в связи с изучением природы зрения. Пытаясь понять, каким образом на сетчатке глаза образуется изображение, он обращается за помощью к камере-обскуре, находя между нею и глазом много общего. Так, он советовал провести с камерой-обскурой опыт, показывающий, как предметы посылают свои изображения, или подобия, пересекающиеся в глазу в водянистой влаге.

Да Винчи говорил: «Это станет ясно, когда сквозь маленькое круглое отверстие изображения освещенных предметов проникнут в очень темное помещение, тогда ты уловишь такие изображения на белую бумагу, расположенную внутри указанного помещения неподалеку от этого отверстия, и увидишь все вышеуказанные предметы на этой бумаге с их собственными очертаниями и красками, но они будут меньших размеров и перевернутыми по причине упомянутого пересечения.

Такие изображения, если будут исходить от места, освещенного солнцем, покажутся словно нарисованными на этой бумаге, которая должна быть тончайшей и рассматриваться с обратной стороны, а названное отверстие должно быть сделано в маленькой, очень тонкой железной пластинке».

Описание камеры-обскуры можно также найти в работе другого итальянского ученого Цезаря Цезармано, которая была издана в 1521 г. в городе Коно.

Был знаком с камерой-обскурой и голландский математик Гемма Фризиус. Он не только описал камеру-обскуру, но и первым с ее помощью наблюдал в январе 1544 г. солнечное затмение. Тогда же, в середине XVI в., делаются первые попытки ее усовершенствовать.

Так, итальянский физик и математик Жером Кардано, для того чтобы улучшить в камере-обскуре изображение, предложил в 1550 г. вставлять в отверстие линзу, а для наводки на резкость советовал сделать заднюю стенку камеры передвижной.

Другой итальянец, Даниелло Барбаро, в своей книге о перспективе, изданной в 1556 г., наряду с предложением пользоваться линзой указал, что, диафрагмируя эту линзу, можно добиться улучшения качества изображения.

О подобном усовершенствовании камеры-обскуры писал также еще один итальянский ученый XVI в., Джованни Бенедетти, в книге, вышедшей в 1585 г. в Турине. Большое неудобство представляло перевернутое изображение; чтобы избавиться от этого недостатка, Игназио Данти предложил в 1573 г. крепить к камере-обскуре зеркало, которое вторично переворачивало изображение.

Долгое время изобретателем камеры-обскуры считался итальянский физик Джованни Батиста дела Порта .
Родился Порта в Неаполе приблизительно в 1538, 1540 или 1545 г. Он получил по тем временам блестящее образование. В молодости много путешествовал и заинтересовался многими вопросами физики, в том числе и оптики. Имя Порта становится известным, и многие научные общества избирают его своим членом.

В 1560 г. Порта издает свой главный труд - книгу «Натуральная магия». Один из разделов книги был посвящен камере-обскуре. Широкое распространение «Натуральной магии» и ее необыкновенная популярность сделали свое дело - еще при жизни Порта стал считаться изобретателем камеры-обскуры.

В немалой степени этому способствовали и высказывания некоторых авторитетных ученых, которые были знакомы с «Натуральной магией» Порта, но не знали предшествующих изданий и рукописей, в которых говорилось о ка-мере-обскуре. Сам Порто почерпнул эти знания, вероятнее всего, из книги Цезаря Цезариано.

В 1604 г. Иоанн Кеплер писал, что сведения о камере-обскуре он почерпнул из книги Порта. О том, что Порта является изобретателем камеры-обскура, шла речь в статье «Камера-обскура» из знаменитой «Энциклопедии» Дидро и Д’Аламбера. То же самое утверждал и автор-составитель известного в XVIII в. учебника физики аббат Ж. А. Ноле. Но больше всех способствовал распространению и упрочению этого ошибочного мнения известный французский физик и астроном Д. Ф. Араго.

Выступая в 1839 г. в Парижской академии наук с сообщением об изобретении дагеротипии, он назвал Порта единственным, кто был причастен к изобретению камеры-обскуры. С той поры, благодаря большому авторитету Араго, во всех книгах по истории фотографий Порта называется изобретателем камеры-обскуры. И только намного позже это ошибочное мнение было исправлено.

До XVII в. все камеры-обскуры были стационарными, так как представляли собой обыкновенные затемненные комнаты, в которых можно было вести астрономические наблюдения, как Это делали Пенхам и Фризиус, проводить оптические опыты (Леонардо да Винчи и Цезариано) или обводить изображение углем или мелом на бумаге, как это советовали делать Барбаро И Порта. Кардано же предполагал использовать камеру-обскуру в качестве вспомогательного технического средства при постановке развлекательных зрелищ и Показе всевозможных чудес. Тем не менее такие камеры-обскуры из-за своей неподвижности не находили должного распространения и являлись большой редкостью.

В XVII в. появляются первые переносные камеры-обскуры. Несмотря на то что они были довольно тяжелыми и громоздкими, такие камеры стали находить уже более широкое применение. Этим камера-обскура во многом обязана Кеплеру, много сделавшему для ее усовершенствования. Камера-обскура, которой пользовался Кеплер, представляла собой специальную палатку, которая вращалась, давая возможность вести круговой обзор неба или Горизонта. В 1600 г. Кеплер начал применять свою Камеру-обскуру для наблюдения за движением солнца, а в 1607 г. он наблюдал с ее помощью прохождение Меркурием солнечного диска. Описание камеры-обскуры можно найти в книге А. Кирхера «Великое искусство света и тени» (1671). Там же дается совет, как использовать камеру-обскуру в качестве приспособления для зарисовок с натуры или «волшебного фонаря» (другими словами, проекционного аппарата).

Между тем работы по усовершенствованию камеры-обскуры продолжались. В 1655 г. появилась первая компактная камера-обскура, которую сконструировал Роберт Бойль. В 1680 г. оригинальную конструкцию камеры-обскуры, напоминающую своим внешним видом современный артиллерийский снаряд, описал Роберт Хук. Камеру-обскуру с зеркалом, которое располагалось в верхней ее части и служило для отражения идущих от рассматриваемых предметов лучей, что позволяло получать прямое изображение, описал в 1685 г. немецкий монах из Вюрцбурга Зан.

Одна из многочисленных конструкций разборных камер-обскур принадлежала французскому физику Ж. А. Нолле. Его камера представляла собой четырехгранную пирамиду, состоящую из четырех реек, которые соединялись вверху муфтой, а снизу крепились по углам квадратной рамы. Все это устройство обтягивалось черной светонепроницаемой материей. В муфте помещалась линза. Через нее изображение, улавливаемое подвижным зеркалом, попадало на основание пирамиды, где помещался лист белой бумаги или картона.

Камеры-обскуры, подобные этой, сравнительно легкие и удобные для транспортировки, имели широкое распространение в XVIII - начале XIX в. В 1812 г. английский физик У. Волластон заменил в камере-обскуре двояковыпуклую линзу менисковой, снабженной диафрагмой. Этим он добился заметного улучшения резкости по краям изображения.

Первоначально камерой-обскурой пользовались исключительно ученые - оптики и астрономы - для научных опытов и наблюдений. Однако вскоре эта монополия была нарушена, и камера-обскура из инструмента ученых постепенно превратилась в инструмент художников-живописцев, рисовальщиков, граверов, декораторов, найдя в этом свое истинное призвание. В свою очередь, фиксация с помощью угля или карандаша светового изображения, возникающего в камере-обскуре, натолкнула изобретателя на мысль о химической фиксации этого изображения, что привело в конце концов к изобретению фотографии.

Стремясь любыми средствами облегчить и ускорить свой труд, художники просто не могли обойти вниманием камеру-обскуру.

Наиболее широкое распространение камеры-обскуры наблюдается в XVIII в. Многие художники той поры не мыслили своей работы без этого простого и надежного аппарата. Одним из таких художников был разносторонне одаренный француз JI. К. Кармонтель, оставивший после себя огромное количество живописных портретов, которые поражали современников удивительным сходством с натурой. Нет сомнения, что Кармонтель пользовался камерой-обскурой.

Наиболее полно проявилось новое качество художественного видения, позаимствованного у камеры-обскуры, беспристрастная документальная правдивость и пристальное внимание ко всему, что находится в поле зрения, в работах Белотто. Яркое свидетельство тому - большая его серия видов Варшавы, созданная в 1770-х гг.

Пользовались камерой-обскурой и художники более позднего времени, как, например, работавший в России в XIX в. француз Ф. В. Перро. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на его подцвеченную акварелью литографию «Владимирская церковь».

Первыми попытками создания фотографии являлось использование такого изобретения, как камера обскура. современного фотоаппарата, представляющий собой закрытую коробку с небольшим отверстием в боковой стенке. Внутри ящика напротив выреза находится белое полотно, служащее экраном. Световые лучи, проникая внутрь через отверстие, проецируют на противоположной стороне изображение внешней среды в перевернутом виде.

Немного истории

Одними из первых упоминаний о копировании изображения внешнего мира являются записи в трактатах Аристотеля. В своих наблюдениях он отмечал, что проникающий через ставни в темную комнату дневной свет изображает на противоположной стене уличные предметы. При этом изображение представляется в уменьшенном и перевернутом виде. Размер предметов зависит от того, насколько близко к отверстию находится стена. Чем дальше импровизированный экран, тем крупнее рисунок.

Более точно принцип действия камеры обскура описал арабский ученый Ибн аль-Хайсам Альгазен, наблюдая за затмением солнца. Чтобы уберечь глаза от вредных солнечных лучей, он следил за поведением света, находясь в палатке. Ученым было проделано отверстие в одной из стен камеры обскура. Это позволяло следить за передвижениями небесного тела на противоположной стороне палатки.

Суть работы камеры легко понять и без ящика. Для этого в плотных занавесях, затемняющих комнату, проткнуть небольшое отверстие иголкой или булавкой. Солнечный свет проникнет в комнату и отобразит на противоположной стене все объекты, встречающиеся у него на пути, в перевернутом виде.

Польза в искусстве

Данное устройство также использовали художники для облегчения написания портретов и картин. Они проецировали предметы и людей, находящихся вне камеры на внутреннее полотно, затем рисовали или копировали полученное изображение. С уменьшением размера прибора появилась возможность использования его на природе.

По сути, камера обскура - это темное помещение или комната с небольшим отверстием в одной из стен. Существуют и другие доказательства того, что ученые нескольких столетий использовали данный прибор, со временем совершенствуя и видоизменяя его.

Прибор с оптикой

Значительно упростили работу над эскизами оптические материалы. Так, для изображения в привычном, а не перевернутом виде стали использовать встроенные зеркала, плосковыпуклые линзы, пластины из матового стекла. В трудах итальянского художника Леонардо да Винчи описана идея использования оптической конструкции для зарисовок портретов и пейзажей.

В 1611 году немецким астрономом была создана камера обскура с линзой, которую он помещал в отверстие на стене палатки. Это позволяло наблюдать за появляющимся изображением напротив отверстия и регулировать резкость. Немного позже, поместив около линзы зеркало под наклоном в 45 градусов, Иоганн Цан модернизировал камеру обскура. Это дало возможность обводить контуры изображения, появляющегося на верхней стенке прибора покрытой матовым стеклом и калькой. С использованием оптики размеры изобретения значительно уменьшились.

Изготовление прибора

Для создания камеры обскура своими руками необходимо подготовить плотный картон, линейку, клей, нож, простой карандаш и лейкопластырь. Вырезать две заготовки размерами 52 на 39 см и 32,5 на 20,5 см.

На большем шаблоне из картона начертите схему, приведенную ниже;

Квадратный участок пересеките диагоналями и на их пересечении нанесите окружность шириной 1 см;

Вырежьте созданную модель и прорежьте отверстие;

Продавите ножом внутренние линии чертежа;

Согните конструкцию по пунктирам и склейте стенки с помощью лейкопластыря;

Круглую прорезь закройте бумагой черного цвета;

Из меньшего шаблона вырежьте начерченную модель, а также внутренний квадрат;

Соберите коробку, служащую подвижным экраном;

На квадратное отверстие приклейте белый бумажный лист, смазанный маслом;

Вставьте экран в первую коробку и проткните черную бумагу иголкой.

Мы рассмотрели, как сделать камеру обскура. Далее научимся применять ее в деле.

Использование устройства

Чтобы понять принцип работы прибора, необходимо созданную своими руками камеру обскура направить на интересующий предмет, который отобразится на импровизированном экране. Для фокусировки изображения нужно подвигать экран вперед или назад. Увеличивая размер круглого отверстия с помощью спицы, а также более крупного инструмента, можно наблюдать за изменениями изображаемого предмета. Меняя расстояние между камерой и объектом, вы добьетесь того, что будет меняться четкость картинки. Заменив пропитанный маслом лист на чистый, можно нанести контур изображенного предмета.

Камера обскура из коробки

Данный прибор можно сделать самостоятельно из подручного материала. Рассмотрим несколько достаточно простых способов изготовления камеры с использованием различной емкости.

Маленькая деталь

Простую камеру можно сделать из коробочки от спичек. Объективом, проецирующим изображение, у данной конструкции будет служить специально проделанная прорезь в корпусе коробка. Из дна внутренней части вырезаем окно, равное кадру фотопленки. Внутри емкость закрашиваем черным цветом или оклеиваем бумагой того же оттенка. В центре внешней детали необходимо вырезать отверстие, соответствующее центру окошка для кадра. Сверху с помощью изоленты прикрепите фольгу и в центре сделайте небольшой прокол. Конструкции понадобится счетчик кадра, который можно смастерить из бутылочного кольца и прикрепить к баллончику с пленкой.

При прокрутке механизм, попадая в ячейки, будет отщелкивать кадр, равный десяти ударам. Далее, протяните пленку через спичечный коробок и расположите ее во втором баллончике. Оба контейнера присоедините изолентой к импровизированной камере. У конструкции не должно быть лишних отверстий, пропускающих в устройство свет. Поэтому постарайтесь как можно плотнее перекрыть все прорези коробочки. Данная модель не имеет затвора, поэтому, направив устройство на предмет, откройте объектив пальцем.

Камера в каждом доме

Для создания следующей камеры подойдет любая емкость. Это может быть коробка от кофе или чипсов. Размер и конфигурация заготовки не важны. В центре дна емкости сделайте небольшое отверстие с помощью шила или Противоположную сторону накройте промасленным листом бумаги и плотно закрепите изолентой так, чтобы лишний свет не проникал в конструкцию. Для использования камеры обскура необходимо поместить сторону экрана в темноту, а донышко направить на яркий свет. Можно накрыться плотным пальто, тем самым изолируя одну сторону камеры от яркости. Внутри камеру можно дополнительно покрасить в черный цвет.

Мы рассмотрели, как сделать камеру обскура самостоятельно. Это увлекательное занятие может стать вашим любимым хобби. С помощью самодельной камеры можно производить уникальные и неповторимые в своем роде изображения.

Началась с попыток художников упростить процесс рисования с натуры путём копирования изображений, получаемых в камере-обскуре.

Изобретение камеры-обскуры и ее последующее усовершенствование является наиболее важным периодом в истории развития фотографии. Камерой-обскурой называется темная комната с малым отверстием в одной из ее стен, через которое свет проникает внутрь комнаты, вследствие чего становится возможным получение изображения наружных предметов.

Эффект, даваемой камерой-обскурой, был замечен пытливым человеческим глазом очень давно. Возможно, что поначалу ему придавалось религиозное, сакральное содержание. Так, например, известный польский писатель Болеслав Прус на основе изучения большого количества древнеегипетских документов в 1895 году в своем историческом романе "Фараон", действия которого происходят в середине XI века до н. э., описал, как Верховный жрец Амона Херихор в тёмной палатке показывали своему владыке картины битвы происходящей на освещённой солнцем равнине. При этом повелитель даже не подозревал, что всё виденное им не божественное знамение, а обычное физическое явление. Интересно, что роман был одним из любимых произведений И. В. Сталина.

Впервые упоминание о камере-обскура встречается ещё в V в. до н.э. Китайский философ Мо-цзы (Мо Ди) описал возникновение изображения на стене затемнённой комнаты. Мо-цзы и его последователи вели решительную идейно-теоретическую борьбу против взглядов конфуцианцев, отстаивавших незыблемость господства наследственной аристократии.

Самое раннее описание принципа работы камеры-обскуры встречается в трудах Аристотеля. "Проблемы" (ок. 350 г. до н.э.) - своеобразный каталог неразрешенных задач. Аристотель задавался вопросом, каким образом может возникать круглое изображение Солнца, когда оно светит через квадратное отверстие. Там же он отмечал, что свет, проникающий в тёмную комнату через небольшое отверстие в ставне, образует на противоположной стене изображение предметов, находящихся на улице перед окном. Предметы изображаются в точных пропорциях и цветах, но в уменьшенных, по сравнению с натурой, размерах и в перевёрнутом виде. При этом масштаб изображения тем крупнее, чем дальше от окна находится стена.

Арабский физик и математик, переводчик и комментатор Аристотеля Ибн ал-Хайсам (965‑1039), ученый из Басры, известный в Европе под латинским именем Альгазен, посвятил этому вопросу особый трактат - "Книгу о форме затмений", содержащий первую в истории физики теорию того, что мы теперь называем принципом камеры-обскуры. Арабский ученый использовал камеру-обскуру для наблюдения за солнцем, что позволило ему сохранить свое зрение. Кроме того, эксперименты натолкнули ученого на мысль о прямолинейном распространении света. До появления трудов Ибн ал-Хайсама считалось, что человеческое зрение работает по принципу радара - из глаз исходят какие-то лучи, которые исследуют все вокруг, позволяя человеку видеть. Арабский ученый в буквальном смысле перевернул это представление, заявив, что лучи не исходят из глаз, а наоборот - попадают в них, взаимодействуя с человеческим органом.

Опыт с малым отверстием описан также в фундаментальной работе ал-Хайсама "Книга оптики", переработанный средневековым польским учёным Эразмом Витело вариант которой (с включением других оптических трактатов ал-Хайсама) был переведён на латинский язык. Это сочинение представляет собой труд из десяти книг под общим названием "Оптика". Трактат Витело, написанный между 1270 и 1278 годом, стал источником знаний для всех, кого упоминают в связи с историей камеры-обскуры: Роджера Бэкона, Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Джиованни делла Порта, Франческо Мавролика, Иоганна Кеплера. Заслуги Витело в области оптики настолько велики, что один из лунных кратеров назван его именем.

Обложка трактата "Оптика".

В 1267 г. английский ученый и естествоиспытатель Роджер Бэкон пишет трактат "Perspectiva" о луче и спектре разложения света. Правда, в области оптики Бэкон многим обязан Аль Хайсаму, уже упомянутому выше. В этом трактате описание камеры-обскуры так неопределенно, что может быть принято за описание проектирования изображения. В сочинении "Большой труд" (Opus majus) так же присутствуют места, как будто указывающие на его знакомство с принципом камеры-обскуры, но они также столь неясно выражены, что едва ли будет справедливым приписывать Роджеру Бэкону открытие камеры-обскуры.

В 1279 году архиепископ Кентерберийский Джон Пенхан, живо интересовавшийся наукой и не без успеха проводивший научные опыты, высказал мысль, что камеру-обскуру можно использовать для наблюдений за движением солнца. Это был первый случай, когда камеру-обскуру предполагалось применить в качестве оптического прибора для научных опытов.

Описание принципа работы камеры-обскуры можно встретить и в трудах Леонардо да Винчи (1452-1519).

Первое точное и полное ее описание мы находим в рукописи итальянского ученого Джованни Баттиста Вентури "О физико-математических трудах Леонардо да Винчи", опубликованной в Париже в 1797 г. Вентури приводит следующее место из сочинения Леонардо, относящееся к камере-обскуре: "Следующий опыт показывает, каким образом пересекаются лучи от предметов в белковой жидкости внутри глаза. Когда изображения освещенных предметов попадают через малое круглое отверстие внутрь очень темной комнаты, то, поместив на некотором расстоянии от отверстия лист белой бумаги, вы обнаружите на ней все предметы в их соответствующих размерах и цветах. Они будут уменьшенных размеров и обращенными по причине вышеуказанного пересечения лучей. Изображение предмета, освещенного солнцем, будет казаться как бы нарисованным на бумаге, если взять тонкую бумагу и изображение рассматривать сзади. Отверстие должно быть сделано в очень тонком куске листового железа". Далее представлена схема расположения отверстия и экрана и ход световых лучей. Очень важен тот факт, что автор не говорит о камере-обскуре как об изобретении. Из чего можно заключить, что не Леонардо да Винчи первый описал это устройство.

В 1544 году 24 января нидерландский математик, врач, картограф, философ, гравер, мастер астрономических инструментов и создатель одного из старейших глобусов Рейнер Гемм Фризиус наблюдал солнечное затмение при помощи камеры-обскуры. Благодаря Фризиусу появилось первое изображение камеры-обскуры в научных трудах. Это была затемненная комната с отверстием в стене. Изображения предметов, находящихся вне комнаты, проецировались через отверстие на противоположную стену. Люди, находившиеся в комнате, могли наблюдать эти изображения и срисовывать их на бумагу.

Новое устройство захватило умы всех ученых того времени. В разных странах камеры-обскуры испытывались, дополнялись нововведениями, усовершенствовались. Порой это происходило одновременно в разных странах. Теперь трудно с точностью сказать, кто первым предложил поставить линзы и увеличить четкость изображения. Знакомые с наукой люди делали в стенах своих домов отверстия, чтобы, не выходя из дома, наблюдать на противоположной стене, как на экране, происходящее на улице. Камеру-обскуру начинают широко использовать художники эпохи Возрождения для обучения законам перспективы.

В 1568 году ученый и меценат венецианец Даниеле Барбаро впервые дал подробное описание камеры-обскуры с плоско-выпуклой линзой, позволяющей увеличить действующее отверстие для проникающих в камеру лучей и усилить яркость оптического изображения, получаемого с её помощью. А первое подробное описание камеры-обскуры с линзой находим в девятой части его трактата о перспективе "La Pratticadella Prospettiva", изданном в Неаполе в 1568 г.

Итальянский математик и физик Джероламо Кардано (1501–1576) установил в камеру-обскуру линзу, а изображение с помощью зеркала проецировал на матовую стеклянную пластину. Ученый предполагал использовать камеру-обскуру в качестве вспомогательного технического средства при постановке развлекательных зрелищ и на показе всевозможных чудес. Кардано считается изобретателем карданного вала. Механизм был известен ещё Леонардо да Винчи, но Кардано был первым, кто опубликовал изобретение.

В 1570 году итальянец Джамбаттиста делла Порта сконструировал усовершенствованный вариант камеры-обскуры. Позднее он предложил использовать камеру-обскуру для выполнения рисунков и их проектирования (идея проекционного фонаря). Принцип действия камеры-обскуры он также использовал при разработке теории зрения. Он также обсуждал вопрос о соединении выпуклой и вогнутой линз для наблюдения далеких и близких предметов. Вот как делла Порта описывал в 1589 году свою камеру-обскуру: "Теперь сообщу Вам то, о чем доселе молчал и думал, что должен молчать. Если поместить у отверстия чечевицеобразное стекло, то все изображение будет отчетливее; увидишь и лица проходящих людей, платья, цвета, движение, все как будто было вблизи. Зрелище так приятно, что видевшие не могли вдоволь насмотреться".

Чтобы придать перевернутому изображению правильную ориентацию, в 1573-м году Игназио Данти стал использовать зеркала.

10 июля 1600 года великий астроном и физик Иоганн Кеплер сделал для наблюдения солнечного затмения большую камеру-обскуру, а в 1607 году он наблюдал с ее помощью прохождение Меркурием солнечного диска. Первый трактат Кеплера по оптике называется "Дополнения к Вителлию" (издан в 1604 году). В нем был сформулирован один из основных законов фотометрии - закон обратной пропорциональности между освещенностью и квадратом расстояния до источника света, введено понятие фокуса и дана формула линзы. В 1620 году он поставил в поле камеру-обскуру в виде темной палатки, в прорезь палатки вставил линзу и наблюдал изображения, появлявшееся на белой бумаге на противоположной стенке. Кеплер создал оптическую систему для камеры-обскуры, состоящую из вогнутой и выпуклой линз, что позволило увеличить угол поля зрения камеры.

В XVII в. появляются первые переносные камеры-обскуры. Несмотря на то что они были довольно тяжелыми и громоздкими, такие камеры стали находить уже более широкое применение. Этим камера-обскура во многом обязана Кеплеру, много сделавшему для ее усовершенствования.

В 1644 году немецкий ученый, иезуит, священник из Кима Атанасиус Кирхер соорудил большую камеру-обскуру. Это было передвижное помещение, которое легко переносилось с места на место. Человек забирался в эту комнату через люк. На гравюре он очерчивает, с обратной стороны, изображение на прозрачной бумаге, которая висит напротив одной из линз. Обладавший энциклопедическими знаниями Кирхер написал много трактатов по самым разнообразным предметам. В 1671 году в своей книге "Великое искусство света и теней" описал, как с помощью камеры-обскуры можно проецировать изображение с прозрачной пластинки на стену или экран. Там же дается совет, как использовать камеру-обскуру в качестве приспособления для зарисовок с натуры или "волшебного фонаря" (другими словами, проекционного аппарата).

В 1659 году голландский ученый Христиан Гюйгенс добавил к аппарату фокусирующие линзы для увеличения четкости изображения. Так называемый "окуляр Гюйгенса", состоит из двух плоско-выпуклых линз, обращенных выпуклыми сторонами к объективу. Также Гюйгенс является изобретателем диаскопического проектора.

XIX век внес окончательную ясность в принцип действия камеры-обскуры с помощью открытий Огюстена Жана Френеля (1788-1827), Доминика Франсуа Жана Араго (1786-1853), Джона Уильяма Стретта (лорда Рэлей) (1842-1919).

Французский астроном и физик Араго с позиций теории дифракции Френеля объяснил парадоксальное свойство малого отверстия: освещённость в изображении падает в v2 раз при увеличении его диаметра кратно четному числу зон Френеля, а наименьшая освещённость соответствует двум зонам Френеля. Несколькими десятилетиями позже Рэлей вывел формулу для вычисления диаметра отверстия, соответствующего наиболее резкому и четкому изображению.

Эти открытия показали, что с незапамятных времен природа дала в руки человеку почти идеальный оптический прибор - камеру-обскуру, отягощённую только одной хроматической аберрацией. В дальнейшем эти свойства оптического элемента камеры-обскуры послужили основой для создания специальных видов фототехники, применявшихся в пикториальной фотографии. И сейчас, в век цифровой фотографии, предшественница современного фотоаппарата продолжает привлекать фотографов простотой конструкции, изяществом концепции и работой непосредственно со светом.

Евклид, исследуя ход лучей через малое отверстие, создал всем нам знакомую Евклидову геометрию и заложил основы геометрической, или лучевой, оптики. Леонардо да Винчи первым провёл прямую аналогию между глазом и камерой-обскурой, указывая на сходство происходящих в них физических явлений. Популяризаторская деятельность Джамбаттиста делла Порта доказала объективное существование действительного изображения вне человеческого глаза. По словам С.И. Вавилова «...камера-обскура решительно отделила свет от зрения, и в этом ее историческая теоретико-познавательная роль».

Сурдин В., Карташев М. Камера-обскура //Квант. - 1999. - № 2. - С. 12-15.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

История

Рис. 1. Старинная камера-обскура с проекцией изображения на полупрозрачный экран

На латинском языке «камера-обскура» означает просто «темная комната». Эта забава известна с античных времен: закрывшись в солнечный день в темной комнате и проделав в шторе окна маленькую дырочку, вы можете увидеть на противоположной, желательно белой, стене изображение улицы и прохожих... вверх ногами (рис. 1). Принцип действия камеры- обскуры, по-видимому, был известен еще древним грекам, ею пользовались арабские ученые, а в Европе ее впервые подробно описал Леонардо да Винчи (конец XV века). Однако широкого применения классическая камера-обскура не находила: если отверстие для света сделать большим, то изображение получается размазанным, а крохотное отверстие дает резкое, но очень тусклое изображение; кроме того, для наблюдений необходимы абсолютно темное помещение и адаптированные к мраку глаза.

Рис. 2. Камера-обскура с зеркалом (АВ ) и линзовым объективом (Е ), которую не изобрел, но подробно описал в своих книгах неаполитанский естествоиспытатель Дж Порта

Но уже к середине XVI века камеру-обскуру оснастили линзовым объективом и зеркалом, в результате чего изображение в ней стало ярким и прямым, и она приобрела большую популярность, в особенности среди не очень умелых художников, использовавших ее для точной зарисовки пейзажей. Существовали крупные обскуры - в человеческий рост, а были и портативные. Сегодня мы называем этот нехитрый оптический прибор прототипом фотоаппарата (рис. 2 и 3).

Рис. 3. Старинная линзовая портативная обскура

К сожалению, после введения линзового объектива камера-обскура не изменила своего названия. Поэтому некоторые исторические сообщения вызывают недоумение. Так, можно прочитать, что для первых опытов по фотографии в 20 - 30 годах XIX века использовались камеры-обскуры. Ну, тут уж совершенно очевидно, что речь идет о линзовых камерах. Однако встречаются и более туманные сообщения. Известно, например, что независимо от Галилея пятна на Солнце открыл в 1611 году немецкий астроном Й.Фабрициус, используя для наблюдений телескоп и камеру-обскуру. Если с телескопом все более или менее ясно, то как Фабрициус мог заметить солнечные пятна с помощью простой обскуры - непонятно. Впрочем, еще в 1609 году Кеплер опубликовал сообщение о наблюдении 18 мая 1607 года на изображении солнечного диска в камере-обскуре маленького темного пятна, принятого им по ошибке за Меркурий. Такая ошибка простительна: диаметр центральной темной части (так называемой тени) типичного солнечного пятна составляет около 15 тыс. км, т.е. немногим больше диаметра такой планеты, как Земля или Венера. Меркурий вдвое меньше Земли, но и располагается к нам (проходя перед Солнцем) почти вдвое ближе солнечной поверхности, так что угловой размер Меркурия в этот момент близок к размеру солнечного пятна, и оба они составляют около 0,3". Вопрос в том, можно ли вообще заметить объект столь малого углового размера при помощи обыкновенной обскуры?

Конечно, простую обскуру можно использовать для наблюдения частных фаз солнечного затмения (рис.4). Тут и труда большого не нужно: даже щелки между листьями дерева успешно работают как настоящая обскура. Как-то раз одному из авторов этой статьи пришлось в утренние часы наблюдать затмение Солнца с помощью дырочки, проделанной кончиком карандаша в тетрадной обложке, - изображение было отличное. Но темные пятна - это довольно мелкая деталь на диске Солнца. Скорее всего, Фабрициус использовал линзовую обскуру. Иначе почему пятна на Солнце не были открыты задолго до появления телескопа? Линзовая обскура - это почти телескоп, это результат высоких технологий эпохи Возрождения. Ее необходимо отличать от простой, или классической, камеры-обскуры с объективом-дырочкой, изготовление которой было доступно людям во все века. Попробуем выяснить, на что способен именно такой, простейший прибор.

Практика

Сделайте обскуру и увидите сами, как это просто. Берете любую коробку сантиметров 15 - 30 в длину (годится жестянка от кофе или плотный пакет от молока). В донышке делаете дырочку тонким шилом или толстой иглой (недаром американцы называют этот прибор не только «camera obscura», но и «pinhole camera»), a верхнее отверстие затягиваете промасленной бумагой. Идеально для этой цели подойдет круглая и длинная коробка от чипсов с белой матовой крышечкой - вам нужно только съесть чипсы и легким ударом шила проделать дырочку в донышке.

Теперь, внимание: для наблюдений требуется яркий свет снаружи и темнота со стороны экрана. Поэтому лучше проводить опыт в солнечный день, находясь в помещении и тщательно изолировав экран от постороннего света. Для этого можно использовать трубу из плотной бумаги длиной 30 - 40 см, приставив ее одним концом к экрану, а другим - к лицу. Однако, если ваша камера круглая, лучше использовать пальто, накинув его на голову и вставив камеру в рукав. Для сравнения «объективов» сделайте в передней стенке несколько отверстий разных диаметров; каждый раз можно наблюдать с одним, закрывая остальные старой жевательной резинкой.

Итак, поэкспериментировав с обскурой, можно убедиться, что дырочка - неплохой объектив: все предметы, независимо от расстояния, получаются одинаково резкими, причем чем меньше отверстие, тем резче изображение. Правда, с совсем маленькой дырочкой трудно наблюдать: яркости не хватает. Но фотопленки сейчас очень чувствительные, уж они-то с этим справятся.

И появляется закономерная мысль - почему бы не делать у фотоаппарата вместо дорогого объектива маленькую дырочку? Тем более, что с некоторыми приборами до сих пор так и поступают: например, астрономы устраивают рентгеновские телескопы в виде свинцовой камеры-обскуры, поскольку для жестких рентгеновских лучей фокусирующих объективов не существует. Однако в оп- ! тическом диапазоне возможности обскуры весьма ограничены. И вот почему.

Теория

Будем рассуждать так. От каждой светящейся точки удаленного объекта на нашу камеру падает пучок практически параллельных лучей света. Проходя сквозь отверстие диаметром D , пучок рисует на экране кружок такого же диаметра. Пусть расстояние до экрана F . Если угловое расстояние между двумя соседними точками объекта меньше чем \(~\frac DF\) (в радианах, разумеется), то их кружки на экране будут частично перекрываться. При каком перекрытии кружков мы еще сможем различить соседние точки изображения - вопрос не простой. Многое зависит от контраста деталей исходного объекта, от яркости его изображения и т.п. Различить детали слабо контрастной картины удается в том случае, если световые кружки совсем не перекрываются. Но поскольку пятна на Солнце выглядят весьма контрастно, будем считать картину различимой, если центры кружков раздвинуты на величину их радиуса. Тогда легко определить минимальный угловой размер различимых деталей объекта, или, как говорят оптики, предельный угол разрешения , обусловленный конечным размером пучка:

\(~\alpha_1 = \frac{D}{2F}\) . (1)

До сих пор мы рассматривали свет как поток прямолинейно распространяющихся лучей. Такой подход характерен для геометрической оптики. Однако известно, что свет - это разновидность электромагнитных волн, и, как любая волна, он подвержен явлениям дифракции и интерференции. Если на входное отверстие инструмента падает волна с плоским фронтом (т.е. пучок параллельных лучей), то за отверстием фронт становится немного изогнутым (а пучок - расходящимся). Это - дифракция; именно она ограничивает применимость законов геометрической оптики. Пройдя сквозь малое отверстие камеры-обскуры, пучки света становятся расходящимися, картинка на экране - размытой. А чтобы узнать, насколько размытой, необходимо вспомнить способность света к интерференции, т.е. к взаимному сложению волн, приходящих в одну точку экрана от разных источников.

Рис. 5. Дифракционная картина изображения точечного источника круглым объективом

В нашем случае независимыми источниками света можно считать бесчисленное множество точек входной апертуры, ведь каждая из них из-за дифракции посылает свет во всех направлениях (принцип Гюйгенса - Френеля). Падающие на экран волны складываются друг с другом в соответствии со своими фазами, в некоторых точках усиливая друг друга, а в некоторых ослабляя. В результате получается следующая картина: пройдя сквозь маленькое круглое отверстие, пучок параллельных (вначале) лучей даст на экране светлое пятнышко, окруженное концентрическими темными и светлыми кольцами спадающей яркости (рис. 5). Можно считать, что камера-обскура отображает на экране каждую точку светящегося объекта в виде такого светлого пятна, окруженного «зеброй» колечек. Обычно считается, что изображения двух соседних точек объекта можно различить на экране, если центры их светлых пятен раздвинуты не менее чем на радиус первого темного кольца (критерий Рэлея). Угол α 2 , под которым этот радиус виден от входного отверстия, можно оценить из тех соображений, что разность путей света от ближайшей и наиболее удаленной точек объектива до любой из точек на темном кольце должна быть порядка длины волны света λ . Тогда мы получим \(~\alpha_2 \approx \frac{\lambda}{D}\). А точный расчет дает следующее значение предельного угла разрешения, обусловленного дифракцией:

\(~\alpha_2 = 1,22 \frac{\lambda}{D}\) . (2)

Поскольку оба указанных эффекта - геометрический размер пучка и дифракция - накладываются друг на друга, можно считать, что полный предельный угол разрешения камеры составляет α = α 1 + α 2 . В зависимости от размера отверстия он изменяется так, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Предельный угол разрешения α камеры-обскуры в зависимости от диаметра ее отверстия D . Расстояние от экрана до отверстия 4,6 см; длина световой волны λ = 4300 А. Пунктирные линии соответствуют уравнениям (1) и (2), сплошная линия - их сумма, черные точки - экспериментальные значения

Очевидно, что при некотором оптимальном диаметре отверстия (D opt) достигается наилучшая разрешающая способность камеры данного размера (F ), которую характеризует минимальное значение угла разрешения (α min). Найти эти параметры нетрудно. Тем, кто знаком с производной, ясно, что своего минимального значения а достигает в точке, соответствующей условию α’ = 0. А для остальных тоже вполне очевидно из рисунка 6, что минимум достигается в той точке, где α 1 = α 2 . Оба эти условия тождественны. Из них мы получим

\(~D_{opt} = \sqrt{2,4 \lambda F}\), и \(~\alpha_{min} = \sqrt{\frac{2,4 \lambda}{F}}\) . (3)

На что же способна оптимальная классическая камера-обскура? Для визуальных наблюдений примем длину волны видимого света λ = 5500 А. Тогда можно представить наш результат в удобном для оценок виде:

где F измеряется в метрах. Как видим, у камеры «человеческого» размера (F = 2 - 5 м) предельный угол разрешения больше, чем у здорового глаза (около 1"). Значит, с ее помощью мы не увидим на поверхности Солнца более мелких деталей, чем позволяет видеть наш невооруженный глаз - разумеется, защищенный плотным светофильтром. В прежние времена роль такого светофильтра с успехом выполняли облака, дым пожара или просто толстый слой воздуха, сквозь который мы видим Солнце на восходе и на закате. В летописях некоторых народов упоминается о пятнах на Солнце, наблюдавшихся сквозь облака или дым и выглядевших «аки гвозди». В принципе, это возможно: хотя среднее солнечное пятно имеет угловой размер около 0,3". изредка на Солнце появляются очень крупные пятна или их группы. Например, в марте 1947 года наблюдалась группа пятен размером около 200 тыс. км; похожие группы пятен наблюдались в 1957 и 1968 годах. Их угловой размер - 4" - без труда ощутим даже для не очень зоркого глаза, что и было доказано наблюдениями сквозь плотный светофильтр.

Внимание ! Мы не зря уже второй раз упомянули о светофильтре - без него на Солнце смотреть нельзя! Причем это должен быть очень темный фильтр, а вовсе не солнечные очки. Подойдет стекло сварщика или алюминированный целлофан, в который заворачивают букеты цветов.

Итак, хотя в древние времена люди изредка могли наблюдать солнечные пятна невооруженным глазом, научным фактом эти эпизодические наблюдения не стали: мало ли что может привидеться! Надежных и систематических наблюдений поверхности Солнца в древности не проводили (или сведения об этом не дошли до нас). Ну а в принципе могли бы астрономы, например, Древней Греции систематически наблюдать солнечные пятна при помощи классической обскуры? Как видно из формул 4, сделав камеру длиной 20 - 30 метров, можно получить прибор более зоркий, чем человеческий глаз. А со 100-метровой камерой можно было бы наблюдать солнечные пятна систематически. Уж не упустили ли древние греки свой шанс?

Вспомним, что с удалением экрана от объектива возрастает угловой размер изображения и, следовательно, падает яркость. Видимый диаметр солнечного диска около 0,5°, точнее - 32", диаметр его изображения на экране простой камеры-обскуры составит \(~\frac{F}{107}\). При размере камеры в 100 м диаметр изображения солнечного диска будет около 1 м. Сюда придет свет, прошедший сквозь отверстие объектива диаметром 1,2 см, значит, освещенность ослабнет почти в 10 тысяч раз. Не слишком ли тусклым будет изображение? Как известно, освещенность земной поверхности Солнцем составляет 10 5 лк; следовательно, освещенность нашего изображения будет около 10 лк. Это в десятки раз больше, чем когда Луна освещает Землю в полнолуние. Без особого труда можно различать буквы в тексте, а ведь размер солнечных пятен на метровом изображении его диска будет около 1 см - такие детали трудно будет не заметить.

Итог: теоретически древние греки могли бы использовать классическую обскуру для изучения поверхности Солнца!

Опыт

Для проверки наших теоретических представлений о качестве изображения в камере-обскуре мы поставили опыт: заменили объектив у фотоаппарата «Зенит» кусочком фольги с булавочным отверстием и сфотографировали с помощью этого «объектива» специально изготовленную таблицу (рис. 7). Расстояние от таблицы до отверстия было 30 см, а от отверстия до пленки - 4,6 см. Мы испытали три отверстия с диаметрами 170, 420 и 840 мкм. Таблица освещалась настольной лампой, чувствительность фотопленки была 64 ед., а экспозиции составляли от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от диаметра отверстия. Сделав отпечатки с негативов, мы определили по видимости линий таблицы на фотографиях предельный угол разрешения камеры. Он оказался даже немного меньше расчетного, что, по-видимому, объясняется очень высокой контрастностью исходного изображения и его линейным характером: прямые линии легче выявляются среди шумов изображения, чем точки. В целом же наша простая теория, как видим, вполне согласуется с экспериментом.

Рис 7. Тестовая таблица (а) и ее изображение (б), сфотографированное камерой-обскурой на основе фотоаппарата «Зенит» (D = 0,42 мм, F = 4,6 см)

Убедившись в этом, мы решили, что пора наблюдать Солнце и попытаться с помощью камеры-обскуры увидеть на нем пятна. Эксперимент был поставлен 19 мая 1998 года в Астрономическом институте им. П.К.Штернберга (МГУ) при любезном содействии старшего научного сотрудника отдела исследования Солнца И.Ф.Никулина. Создать камеру длиной 100 и даже 50 метров нам, к сожалению, не удалось. Мы использовали в качестве корпуса обскуры трубу вертикального солнечного телескопа длиной 17 м. Зеркальный объектив этого инструмента находится в его нижней части, поэтому труба до объектива представляет просто светозащищенный объем без оптических элементов. Удобно и то, что система плоских зеркал (целостат) перед трубой телескопа постоянно поддерживает направление его оптической оси на Солнце. Входное отверстие трубы мы закрыли плотной крышкой с круглой дырочкой диаметром 5 мм. В нижней части трубы на листе белой бумаги мы увидели яркое изображение Солнца диаметром 16 см с хорошо различимой группой из двух пятен. Это был момент торжества - солнечный телескоп-обскура действует!

Последующее изучение Солнца в нормальный оптический инструмент показало, что в этот день на поверхности нашего светила действительно были пятна: группа из двух больших пятен с размерами 15" и 17", разделенных расстоянием в 1", а также несколько маленьких с размерами 3 - 5". Маленьких пятен с помощью обскуры мы не заметили, а два больших пятна (впрочем, вполне рядовых для Солнца) были весьма отчетливо видны по отдельности. Мы продолжили наблюдения и в последующие дни, отмечая по движению пятен вращение Солнца. На фото на рисунке 8 показана поверхность Солнца в день 2 июня 1998 года, сфотографированная с помощью солнечного телескопа (а) и полученная на экране нашего телескопа-обскуры (б).

Галилей и Фабрициус открыли солнечные пятна лишь после изобретения оптического телескопа, хотя, как мы теперь видим, такая возможность существовала еще во время египетских пирамид. Быть может, эта мысль натолкнет читателей «Кванта» на размышления о неиспользованных возможностях нашего времени? Кстати, Фабрициусу, когда он открыл солнечные пятна, было немногим более 20 лет.